郑晓园, 应 芝, 王 波

(上海理工大学 能源与动力工程学院, 上海 200039)

针对现有实验教学中综合性和探索性实验比例偏低的现状,以提高学生对专业实验的兴趣、培养学生的创新能力和科学素养为目的,开发了综合性实验——固体废弃物气化实验。随着我国城市化进程的加快和人民生活水平的提高,土地资源日益紧缺,而人们对环境质量的要求日益增长,城市固体废物(生活垃圾和污水污泥)的无害化处理给城市的可持续性发展提出了严峻的挑战。通过焚烧处理,减容效果显著,处理量大。全国城市生活垃圾焚烧处理量占无害化处理量比例从2010年的18%上升到2015年的34.28%,焚烧处理正逐步受到重视[1]。但焚烧处理时,燃烧过程和尾气净化控制不严格,容易产生二恶英等二次污染物[2]。气化处理被认为是具有前景的固体废弃物处理技术之一[3]。通过气化,在还原性气氛中将废弃物转化为可燃气体,可通过内燃机或燃气轮机直接燃烧利用,也可通过费托反应合成液体燃料或化学品,从而实现废弃物的资源化、无害化和减量化[4]。

1 实验设计

1.1 实验目的

1.1.1 掌握固体废弃物气化的技术原理

目前,固体废弃物气化正成为国内外的研究重点和发展方向之一,建设相应的实验平台并开展相关实验,有助于学生熟悉热能工程专业知识在废弃物处理领域的应用,提高学生对科技前沿知识和学科交叉领域知识的认识和理解。而且,实验平台可以加强学生对理论知识的理解,也是理论联系实际的平台。

1.1.2 体现实验教学理论联系实践的优势

1.1.3 培养学生的动手能力和创新能力

该实验操作以学生为主,通过分组,学生互相配合、分工合作完成实验操作、数据记录以及实验结果分析。由于该实验平台具有一定的灵活性,可以通过改变物料、操作参数等方式使得每组学生的实验有一定的差异,确保每组学生独立开展实验和独立解决实验过程碰到的问题,进而激发学生的好奇心和兴趣。通过该实验,还可拉近学生与实践研究的距离,消除神秘感,激发学生积极参与和发挥创造能力。兴趣是最好的导师,也是培养学生创新思维的前提条件,有助于激发学生的创新潜能和提高动手能力[6]。由学生自主参与实验和独立完成实验,可以提高学生的学习获得感和成就感。

1.2 实验平台及仪器

实验平台如图1所示,该综合性实验平台可用于不同物料(如煤、生活垃圾、污水污泥和废弃生物质等)、气体(空气、水蒸气和二氧化碳等)、气化温度和气化介质/物料比的气化实验,而基于实验结果可以开展能量分析和分析。基于该平台,甚至还可以开展燃烧特性实验。

该实验平台主要由分析采样系统、给料系统、气化炉系统和气化介质发生系统等组成。分析采样系统包括冷凝器、过滤器、焦油收集烧瓶、真空泵、流量计和气相色谱等；给料系统主要由料仓和螺旋给料机组成；气化炉系统包括竖直布置的控温电加热炉和石英管等；气化介质发生系统包括CO2气体钢瓶、蒸气发生器、微量注射泵、质量流量计等。

1.3 实验过程

实验时,将经过干燥、破碎和筛分的物料放入螺旋给料机料斗,通过控制给料机转速的变化,可以改变给料量。通过竖直布置的控温电加热炉,气化炉内温度可从室温加热至1 300 ℃。实验时,先设置好实验温度,达到该温度后,根据实验需要,从炉膛上部通入空气、氮气、水蒸气、二氧化碳或者它们的混合气。自上往下吹扫10 min后,由螺旋给料机按设定的给料量从上至下输送物料。待气化反应稳定后,气体产物经冷凝和干燥过滤,进入气相色谱进行在线分析气体产物组成,然后收集焦油,预处理后进行后续分析。实验结束后,收集焦炭并进行后续分析。

图1 实验平台

2 理论分析

2.1 能量分析

忽略动能和势能,物流的能量(En)可表示为物理能(Enph)和化学能(Ench)[7],即:

En=Enph+Ench

(1)

气体的物理能可表示为[8]

(2)

式中,ni为合成气中成分气体i的摩尔收率,mol/kg;hi为成分气体i的比焓,kJ/kmol。

实验条件下,气体的比焓可由式(3)计算[8]

(3)

式中,T为状态温度,K；T0为环境温度,取298 K；K∶h0为环境条件下的比焓,kJ/kmol,部分气体环境条件下的比焓，如表1所示；cP为气体定压比热容,kJ/(kmol·K),可由经验公式(4)求取。

(4)

式中,a、b、c、d为定压比热容系数,取值如表2所示。

表1 气体的比焓、比熵、高位热值和标准化学

表2 气体定压比热容系数[9]

气体的化学能可以表示为[8]

(5)

式中,HHVi为成分气体i的高位热值,kJ/kmol,如表1所示。

2.2 分析

Ex=Exph+Exch

(6)

(7)

式中,h为实验条件下的比焓,kJ/kmol；h0为环境状态下的比焓,kJ/kmol；s0为环境状态下的比熵,kJ/(kmol·K),如表1所示；s为实验条件下的比熵,kJ/(kmol·K),可通过式(8)求取。

(8)

式中,R0为通用气体常数,取8.314 472 kJ/(kmol·K)；P为实验条件下成分气体i的压力,Pa；P0为环境条件下成分气体i的压力,Pa。

(9)

3 实验结果与讨论

本文以生活垃圾CO2气化为例,讨论了气化温度对气化气组成、成分气体能值和值、气化气能值和值的影响。

3.1 气化温度对生活垃圾CO2气化特性的影响

图2所示为气化介质与生活垃圾质量比为0.66时,气化温度对气化气组成和低位热值的影响。提高气化温度,有利于气化过程中吸热反应(R1和R2)的进行,促进了合成气中CO和H2体积浓度的提高。其中,CO的体积浓度从17.11%持续增加到54.51%；H2的体积浓度从8.22%增加到28.5%,但气化温度从1 100oC增加到1 200oC时,H2体积浓度增加的幅度在减小。这是因为气化温度大于1 100oC时,H2分子会被分解[13]。同时,CO2的体积浓度从70.63%降低到20.70%。CH4的体积浓度随着气化温度的升高先从4.04%增加到5.05%,再减少到1.54%。这是因为通过甲烷干重整反应(R3)消耗了部分CH4。该反应有助于气化气中CO和H2浓度的增加。

C+H2O→CO+H2ΔH=130.41kJ/mol

(R1)

C+CO2→2COΔH=172.62kJ/mol

(R2)

CH4+CO2→2CO+2H2ΔH=247kJ/mol

(R3)

如图2所示,由于气化气中可燃气体成分浓度的增加,气化气的低位热值(LHV)随着温度的升高从4.5 MJ/Nm3增加到10.52 MJ/Nm3。

图2 气化温度对气化气组成和低位热值的影响

3.2 气化温度对气化气中各成分气体能值和值的影响

图3所示为气化温度900、1 000、1 100和1 200oC时气化气中各气体成分的能值和值分布情况。从图3中可以发现,各气体成分的值均小于其能值,印证了是最大可用能的定义。随着气化温度从900oC升到1 200oC,N2、H2和CO的能值保持着增加的趋势,而CO2和CH4先增加后减小。N2、H2、CO、CO2和CH4的值变化趋势与其对应的能值变化趋势保持一致。各气体成分对气化气的能值和值贡献不同。在900oC,能值的贡献为N2>CO>CH4>CO2>H2,值的贡献为N2>CO>CO2>CH4>H2；从1 000oC至1 200oC时,能值的贡献为CO>(N2和H2)>CH4>CO2,值的贡献为CO>H2>N2>CH4>CO2。

图3 不同气化温度时气化气中各成分气体的能值和值

3.3 气化温度对气化气能值和值的影响

图4 不同气化温度时气化气的能值和值

4 结语

(1) 通过综合实验教学表明,学生自己独立实验和结合课堂理论知识观察思考实验现象,极大地提高了学生的实验热情和学习兴趣,同时锻炼了学生独立处理实验问题的能力,取得了良好的实验效果。

(2) 生活垃圾CO2气化实验结果表明,提高气化温度可以显著增加合成气中H2和CO的浓度。因而,气化气的低位热值也从从4.5 MJ/Nm3增加到10.52 MJ/Nm3。

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